燃气长直管道泄漏检测及定位方法研究

摘要

目前，我国国民经济的持续高速发展对能源，特别是燃气资源的需求越来越迫切。随着我国西部天然气大开发和国外天然气的大量引进，燃气管道的长度越来越长，并且呈现高压力、大管径的特点。伴随着这些高压燃气管道的长度不断增加，管道泄漏事故也时有发生。因为管道内燃气压力很高，一旦发生泄漏，会造成严重的生命财产损失和环境污染。因此，及时发现泄漏并定位泄漏位置，开展应对措施，对燃气管道安全至关重要。本文采用实验和理论相结合的方法，对燃气长直管道的泄漏检测与定位做了以下的研究：
　　根据燃气流动基本控制方程，针对燃气管道正常工况和泄漏工况，利用特征线法分别推导了基本控制方程对应的差分方程，研究了相应的计算方法。根据燃气流动的运动方程和能量方程推导出管道沿线压力和温度分布。建立了燃气管道泄漏的储罐模型、小孔模型、大孔模型和管道模型。并利用计算算例，对模型的正确性进行了验证，实现了燃气管道泄漏量的计算。
　　根据实验研究目的，考虑研究对象的物理模型和实验条件，改造搭建了燃气直管道泄漏检测实验台。研究了光纤光栅应变传感器检测管道内压力变化的原理，并进行了实验测试。结合流体力学理论，对泄漏实验结果进行了分析，验证了实验研究的可行性。
　　为了利用基于扩展卡尔曼滤波器的方法来检测泄漏并定位泄漏位置，将滤波器估计的实时模型法的基本思想与已经建立的离散化的泄漏工况下的管道瞬态流动模型结合，假设泄漏分布在分段点上，从而建立离散化的包含多点泄漏的瞬态流动模型。将分段点上泄漏量包含到模型中，并使其成为状态变量的一个分量。利用扩展卡尔曼滤波器对状态变量进行估计，并利用等效管道的原理，研究了实际管道泄漏量和泄漏位置的计算方法。应用模拟算例和实验数据测试验证了该方法。
　　负压波法是目前应用最广泛的管道泄漏检测与定位的方法，但这种方法的漏报率比较高、定位精度比较低。本文将光纤传感技术与负压波法结合，提出一种改进负压波法，并研究了此方法泄漏检测及定位的原理。研究了基于小波阈值法的负压波信号降噪的方法。通过实验对比及负压波衰减规律的研究，从技术和理论上分析了改进负压波法检测效果优于负压波法的原因。
　　为了应用改进负压波法定位泄漏位置，首先研究了小波分析寻找信号突变点的方法，并利用此方法得到负压波传播到上下游光纤光栅应变传感器的时间差。其次，考虑管道内气体流速变化和负压波传播速度变化对泄漏定位的影响，建立了改进的燃气管道泄漏定位算法，并利用复化辛普森和二分法进行求解。最后，应用实验数据测试验证了该方法的定位效果。
　　为了降低误漏报率、减少人工，将模式识别的理论引入到燃气管道的泄漏检测。提取改进负压波法采集到的泄漏工况和正常工况下的波形特征作为输入特征向量，并由此建立基于最小二乘支持向量机的燃气管道泄漏检测模型，实现了燃气管道泄漏的实时智能检测。

目录

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英文摘要

物理量名称及符号表

目录

第1章 绪 论

1.1引言

1.2燃气管道运输发展状况

1.3燃气管道运输的安全问题

1.4燃气管道泄漏检测定位方法综述

1.5国内外泄漏检测定位方法研究现状及总结

1.6本文的研究意义及主要研究内容

第2章 管内燃气流动的理论基础

2.1 燃气流动基本控制方程

2.2燃气管道正常工况下的理论基础

2.3燃气管道泄漏工况下的理论基础

2.4本章小结

第3章 燃气管道泄漏检测的实验研究

3.1实验研究目的

3.2实验台系统

3.3泄漏实验的一般步骤

3.4实验测试及实验结果分析

3.5本章小结

第4章 基于扩展卡尔曼滤波器的燃气管道泄漏检测与定位研究

4.1卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器

4.2离散化的包含多点泄漏的燃气管道瞬态流动模型

4.3利用扩展卡尔曼滤波器估计管道泄漏量和泄漏位置

4.4模拟算例验证

4.5实验测试验证

4.6本章小结

第5章 改进负压波法及其技术理论分析

5.1负压波法及改进负压波法

5.2小波变换在负压波信号处理和分析中的应用

5.3改进负压波法和负压波法检测效果对比分析

5.4负压波衰减规律研究

5.5改进负压波法的技术理论分析

5.6本章小结

第6章 基于改进负压波法的燃气管道泄漏定位研究

6.1改进负压波法定位泄漏位置原理

6.2燃气管道泄漏定位的关键因素和后续的工作

6.3小波变换用于压力突变点检测

6.4管道内燃气流速和负压波传播速度修正公式推导

6.5定位算法改进

6.6实验定位结果

6.7本章小结

第7章 基于最小二乘支持向量机的燃气管道泄漏智能检测研究

7.1燃气管道泄漏检测与最小二乘支持向量机

7.2基于LS-SVM的燃气管道泄漏检测模型

7.3基于LS-SVM的燃气管道泄漏智能检测系统

7.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

声明

致谢

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